JPH08162656A

JPH08162656A - 太陽電池

Info

Publication number: JPH08162656A
Application number: JP6297372A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Tange; 恭一丹下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 1996-06-21
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JP3206339B2

Abstract

(57)【要約】【目的】太陽電池の効率を上昇する。【構成】ｐ型基板１０の上部にｎ＋層１２および表面
電極１４が設けられ、光の入射によって発生した電子
は、ｎ＋層１２内を表面電極１４に向けて移動する。し
かし、ｎ＋層１２上には、パッシベーション膜２０を介
し、負バイアス電極２２が設けられており、電子は、ｐ
型基板１０の内部に向けて押しやられる。そこで、発生
した電子は、直接表面電極１４に向けて移動し、表面に
おける再結合が防止される。さらに表面電極の近傍には
正バイアス電極２６が配置されているため、電子は表面
電極１４に効率よく収集される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ｐｎ接合を有する太陽
電池に関するものであり、特に出力電力取り出しの効率
化に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、各種の太陽電池が知られてお
り、半導体技術の進歩に伴い、比較的安価、小型のもの
が開発され、各種の電源として広く利用されている。こ
の太陽電池においては、入射光をいかに効率的に電力に
変換するかということが重要であり、この１つの重要な
因子として光の入射によって発生したキャリア（電子、
正孔）の再結合の抑制がある。

【０００３】すなわち、一般に太陽電池は、図５に示す
ような構成を有しており、ｐ型基板１の表面部にｎ＋層
２が形成され、裏面側にはｐ＋層３が、形成されてい
る。また、ｎ＋層２上には、−出力用の表面電極４、ｐ
＋層３上には＋出力用の裏面電極５が設けられている。

【０００４】そして、ｎ＋層２上の表面電極４以外の大
部分には、酸化絶縁膜６が形成され、その上方が反射防
止膜７で覆われている。また、ｎ＋層２、酸化絶縁膜
６、および反射防止膜７は、入射光を内部に効率よく入
射させると共に、光の射出を抑制するために、ピラミッ
ドまたは逆ピラミッド状のテクチャー構造になっている
（図は断面形状を示しているため、単に波形に表してい
る）。

【０００５】このような太陽電池に光が入射すると、こ
の光のエネルギーによって、半導体内において電離が起
こり、電子と正孔（電子および正孔をキャリアという）
の対が発生する。そして、ｐ型基板１とｎ＋層２によっ
て生じる電界によって、ｎ＋層２に電子、ｐ型基板１に
正孔が集まり、結果としてｐ型基板１とｎ＋層２間に電
圧が発生し、これが電極４、５から出力される。なお、
ｐ＋層３は、裏面電極５への正孔の移動を容易にするた
めのものである。

【０００６】ここで、半導体の表面は、結晶構造の端部
に当たるため、その結晶構造に欠陥（結合相手のない電
子の腕）が存在し、準位密度（再結合中心）が大きくな
り、ここで再結合が起こりやすくなる。このため、表面
付近をキャリアが移動すると、ここで再結合を起こす可
能性が高い。特に、Ｓｉ基板の表面をテクスチャー構造
とすると、その斜面は（１１１）面となり、ミラー面で
ある（１００）面に比べ、準位密度が大きくなり、再結
合が起こりやすい。

【０００７】また、光の入射によるキャリアの発生もそ
のほとんどは太陽電池の表面付近で起こり、また電圧を
出力する電極は太陽電池の表面に形成されるため、発生
したキャリアは太陽電池の表面付近を移動する確率が高
い。そこで、キャリアの再結合が、太陽電池の表面部で
起こり易くなっている。

【０００８】このため、ｎ＋層２の表面上に酸化絶縁膜
６を形成し、結晶欠陥を補っている。しかし、この酸化
絶縁膜６を形成しても、結晶欠陥が完全になくなるわけ
ではなく、表面再結合を十分に抑制することはできなか
った。

【０００９】そこで、表面における再結合を抑制するこ
とが大きな課題となっており、このため研究が種々報告
されている。

【００１０】例えば、第４回「高効率太陽電池」ワーク
ショップ、奈良（１９９４．７．２８）には、表面再結
合と表面電位の関係を示唆するものが報告されている。
この報告では、太陽電池裏面のｐ＋層に各種の電界を印
加し、その影響を解析している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例により、ｐ
＋層に各種の電圧を印加し、ｐ＋層の電位を変更するこ
とによって、太陽電池の効率を上昇できることが分かっ
た。しかし、電界印加と光−電力変換効率の関係は十分
には、解明されていない。

【００１２】本発明者は、この太陽電池のキャリアの表
面再結合抑制についてさらに詳細な研究を行い、ｎ（特
にｎ型の不純物濃度の大きなｎ＋）層の電位を変化させ
ることによって、表面再結合を抑制できることを発見し
た。

【００１３】さらに、太陽電池の効率を上昇するために
は、発生したキャリアをいかに効率よく電極に集めるか
ということも非常に重要である。そこで、本発明者は、
太陽電池内の電極近傍に所定の電界を形成することで、
キャリアを効率的に電極に集中させることを考えた。

【００１４】本発明は、上記知見に基づきなされたもの
であり、光−電力変換効率が上昇できる太陽電池を提供
することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ｐ型基板上に
ｎ層を形成し、入射光によってｐ型基板とｎ層間に生じ
た電圧を取り出す太陽電池において、前記ｎ層上に、酸
化物絶縁層を介して負バイアス電極を形成し、この負バ
イアス電極にマイナスの電圧を印加することを特徴とす
る。

【００１６】また、本発明は、ｐ型基板上にｎ層を形成
し、入射光によってｐ型基板とｎ層間に生じた電圧を取
り出す太陽電池において、ｐ型基板表面上に形成された
ｎ層上の所定部位に出力取り出し用電極を形成すると共
に、前記ｎ層上であって前記出力取り出し用電極の近傍
に絶縁層を介して正バイアス電極を形成し、この正バイ
アス電極にプラスの電圧を印加することを特徴とする。

【００１７】

【作用】このように、本発明によれば、ｎ層上に絶縁層
を介して形成した負バイアス電極によって、ｎ層に負の
電圧を印加する。このため、ｎ層内の電子は、この負の
電圧の印加に伴う電界の影響で、ｐ型基板側に押しやら
れる。従って、電子は、表層を移動するのではなく、厚
み方向の深い場所を移動する確率が高くなる。そこで、
ｎ層内を移動する電子の数が相対的に減少し、表面層に
おける電子の再結合を抑制することができる。

【００１８】また、本発明によれば、正バイアス電極に
よって、出力取り出し用電極の周囲に正の電圧が印加さ
れている。この正の電圧の印加によって、電子が出力取
り出し用電極の周囲に集められ、電子の出力取り出し用
電極への移動を促進することができる。そこで、出力取
り出し用電極による電子の収集効率を上昇することがで
きる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面に基づ
いて説明する。図１は、実施例の全体構成を示す図であ
り、Ｓｉ単結晶にｐ型不純物（例えば、Ｂ（ホウ素））
を拡散したｐ型基板１０の表面部には、その全面にｎ＋
層１２がｎ型不純物（例えば、Ｐ（リン））の熱拡散に
よって形成されている。また、光が入射する部分（図に
おける上部左側の大部分）は、その表面がピラミッド状
または逆ピラミッド状のテクスチャー構造になってい
る。従って、ｎ＋層１２もピラミッド状または逆ピラミ
ッド状の構成になっている。一方、図における上部右側
の部分（平面部分）のｎ＋層１２の上には、太陽電池の
−極として作用する表面電極（出力取り出し用電極、例
えばＡｌ）１４が形成されている。また、ｐ型基板１０
の裏面側には、ｐ＋層１６を介し、＋極として作用する
裏面電極１８が形成されている。この裏面電極１８は、
Ａｌを蒸着して形成し、このＡｌの熱拡散によってｐ＋
層１６を形成するとよい。

【００２０】表面側のｎ＋層１２の光入射部分の上に
は、熱酸化によって、ＳｉＯ2 からなるパッシベーショ
ン膜２０が形成される。さらに、このパッシベーション
膜２０の上には、透明導電材料（例えば、ＩＴＯ）から
なる負バイアス電極２２が形成されている。そして、こ
の負バイアス電極２２と裏面電極１８の間に、負バイア
ス電源２４が設けられており、負バイアス電極２２に負
の電圧（例えば、０．５Ｖ〜１Ｖ）を印加している。な
お、パッシベーション膜２０は、ｎ＋層１２の結晶欠陥
を少なくすると共に、ｎ＋層１２と負バイアス電極２２
の絶縁層として機能する。また、負バイアス電極２２の
電圧の影響をｎ＋層１２に及ぼすため、その厚さは、数
ｎｍ〜１０数ｎｍ程度に設定されている。また、パッシ
ベーション膜２０の図における左端の部分（平坦部）に
は、パッシベーション膜とは別の酸化物絶縁膜２１（厚
さ数ｎｍ程度）が形成されている。

【００２１】さらに、ｎ＋層１２上の表面電極１４の近
傍（この例では、表面電極の両側）には、ＳｉＯ₂から
なる酸化絶縁膜２５を介し、正バイアス電極２６が設け
られており、この正バイアス電極２６と裏面電極の間に
は、正バイアス電源２８が設けられており、正バイアス
電極２６に正の電圧（例えば、３Ｖ〜２０Ｖ）が印加さ
れている。

【００２２】このような装置において、光が表面側から
入射すると、入射光のエネルギーによって、ｎ＋層１
２、ｐ型基板１０内において、正孔および電子の対が生
じる。そして、正孔はｐ型基板１０内を裏面側に移動
し、ｐ＋層１６を介し、裏面電極１８に至る。一方、電
子は、ｎ＋層１２内を表面電極１４に向けて移動する。

【００２３】ここで、本実施例では、負バイアス電極２
２によって、負の電圧がｎ＋層１２の表面側から印加さ
れている。従って、ｎ＋層１２内の電子は、この負の電
圧の印加に伴う電界の影響で、ｐ型基板１０側に押しや
られる。従って、電子は、表層を移動するのではなく、
厚み方向の比較的深い場所から直接表面電極１４に向け
て移動する確率が高くなる。そこで、ｎ＋層１２内を移
動する電子の数が相対的に減少し、表面部における電子
の再結合を抑制することができる。

【００２４】さらに、本実施例では、正バイアス電極２
６によって、表面電極１４の周囲に正の電圧が印加され
ている。この正の電圧の印加によって、電子が引き寄せ
られ、表面電極１４の周囲に集められる。これによっ
て、電子がｎ＋層の表層を移動する確率が低くなり、電
子の表面電極１４への直接的な移動を促進することがで
き、表面電極１４による電子の収集効率を上昇すること
ができる。

【００２５】この実施例による効果を表１に示す。この
ように、正負バイアス電圧を印加しなかった場合に３２
ｍＡ／ｃｍ²であった短絡電流が、負バイアス電圧０．
５Ｖ、正バイアス電圧５Ｖを印加した場合に、３４．５
〜３６ｍＡ／ｃｍ²になり、効率が上昇したことが理解
される。もちろん、負バイアス電圧、正バイアス電圧の
いずれかのみを印加した場合にも正負バイアス電圧をと
もに印加するものには及ばないが、効率の上昇が図られ
る。

【００２６】

【表１】短絡電流バイアス電圧なし３２ｍＡ／ｃｍ² 負バイアス電圧のみ３２．５〜３３ｍＡ／ｃｍ² 正バイアス電圧のみ３２．３〜３３ｍＡ／ｃｍ² 両バイアス電圧印加３４．５〜３６ｍＡ／ｃｍ² ここで、短絡電流は、表面電極と裏面電極を短絡した際
に得られる電流値であり、大きいほど太陽電池の効率が
高いことを意味している。

【００２７】特に、上記例によれば、正負両バイアス電
圧を両方とも印加した場合に、それぞれ単独に印加した
場合の和に比べ大きな短絡電流の改善が図られている。
従って、両バイアス電圧の相乗効果が得られることが分
かる。

【００２８】図２に、負バイアス電圧として、０．５Ｖ
を印加した状態で、正バイアス電圧を印加した際の短絡
電流の変化を示す。これより、正バイアス電圧を大きく
することによって、短絡電流を大きくすることができる
ことが理解される。

【００２９】ここで、図３は、本実施例の全体構成を模
式的に示すものであり、素子１００の表面には、表面電
極１４が所定間隔をおいて形成されており、この表面電
極１４の両側に正バイアス電極２６がそれぞれ配置され
ている。また、素子１００上は負バイアス電極２２で覆
われている。

【００３０】図４に示したのは、本発明の他の実施例で
あり、正バイアス電極へ印加する電圧（正バイアス電源
２８）を太陽電池から得るものである。

【００３１】一般に、太陽電池は、十分な出力を得るた
めに、複数の素子（セル）から構成されている。そし
て、バイアス電源を別途設けるのではなく、内部で得ら
れれば、好都合である。

【００３２】本実施例では、正バイアス電源を１００ａ
〜１００ｎの直列接続による出力電圧から得る。このた
めに、本実施例では、正バイアス電源２８の負極側を裏
面電極１８に接続せず、ｐ＋層１６に印加するための電
極３０に接続している。この電極３０は、酸化絶縁膜３
２を介し、ｐ＋層１６上に接続されている。そして、直
列接続された複数の素子１００ａ〜１００ｎは全て同一
の構成を有しており、全ての素子１００ａ〜１００ｎの
電極３０は全体出力の負出力に共通して接続され、全て
の素子１００ａ〜１００ｎの正バイアス電極２６は全体
出力の正出力に共通して接続されている。

【００３３】従って、全ての素子１００ａ〜１００ｎの
表面と裏面の間に全体出力の電圧を印加することがで
き、表面電極１４に電子を効果的に収集することができ
る。

【００３４】また、負バイアス電極２２は、０．５Ｖ程
度の比較的低電圧の印加でよい。そこで、隣接する素子
１００ａ〜１００ｎの表面電極１４を接続することで、
素子１つ分の発生電圧、例えば０．５Ｖを印加すること
ができる。

【００３５】このように、この実施例によって、特別の
バイアス電源を設けることなく、正バイアス、負バイア
スを各素子１００ａ〜１００ｎに印加することができ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ｎ層上に絶縁層を介して形成した負バイアス電極によっ
て、ｎ層に負の電圧を印加する。このため、ｎ層内の電
子は、この負の電圧の印加に伴う電界の影響で、ｐ型基
板側に押しやられる。従って、電子は、表層を移動する
のではなく、厚み方向の深い場所移動する確率が高くな
る。そこで、ｎ層内を移動する電子の数が相対的に減少
し、表面層における電子の再結合を抑制することができ
る。

【００３７】また、本発明によれば、正バイアス電極に
よって、出力取り出し用電極の周囲に正の電圧が印加さ
れている。この電圧に印加によって、電子が出力取り出
し用電極の周囲に集められ、電子の出力取り出し用電極
への移動を促進することができ、出力取り出し用電極に
よる電子の収集効率を上昇することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の全体構成を示す図である。

【図２】正バイアス電圧と短絡電流の関係を示す図であ
る。

【図３】複数素子の場合の全体構成を示す図である。

【図４】他の実施例の構成を示す図である。

【図５】従来例の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ｐ型基板、１２ｎ＋層、１４表面電極、１６
ｐ＋層、１８裏面電極，２０パッシベーション
膜、２２負バイアス電極、２４負バイアス電源、２
５酸化絶縁膜、２６正バイアス電極、２８正バイ
アス電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型基板上にｎ層を形成し、入射光によ
ってｐ型基板とｎ層間に生じた電圧を取り出す太陽電池
において、前記ｎ層上に、絶縁層を介して負バイアス電極を形成
し、この負バイアス電極にマイナスの電圧を印加するこ
とを特徴とする太陽電池。
【請求項２】ｐ型基板上にｎ層を形成し、入射光によ
ってｐ型基板とｎ層間に生じた電圧を取り出す太陽電池
において、ｐ型基板表面上に形成されたｎ層上の所定部位に出力取
り出し用電極を形成すると共に、前記ｎ層上であって前
記出力取り出し用電極の近傍に絶縁層を介して正バイア
ス電極を形成し、この正バイアス電極にプラスの電圧を
印加することを特徴とする太陽電池。